JPH07501395A - 粒状加熱／冷却媒体 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるため要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 粒状加熱／冷却媒体 技術分野 本発明は、エネルギー源から負荷体に熱を伝達するための中間媒体として機能し 得る物質に関し、とりわけ、加熱または冷却に効果的に用い得る物質の粒状組成 物に関する。

一般的な加熱において、媒体Ｂはエネルギー源Ａから熱を受け、その熱を負荷体 Ｃに伝える。同じことが原則として冷却にも適用される。その場合、媒体Ｂは冷 気を受け（その熱をエネルギー源Ａに奪われ）、その冷気を負荷体Ｃに伝える（ 負荷体Ｃからの熱を受ける）。別の言い方をすれば、冷気の負荷体を熱源として 、冷気源を熱の負荷体と考えることができる。従って、加熱と冷却では媒体は同 じ役割を果たしている。

従来の技術 一般的な加熱・冷却の例はどこにでもある。電気ポツプコーン器やヘアドライヤ ーは空気を加熱媒体として用い、アイロンやフライパンは金属を中間熱媒体とし て用いる。揚げ物では熱い油が加熱媒体として用いられ、調理ではほとんどの場 合水が加熱媒体として用いられる。

冷却の一般例を一つ挙げれば、空気は冷蔵庫の冷却媒体である。以上はすべて動 的定常熱伝達の例であり、断続的にまたは連続的に媒体が同時に熱をもらって放 出する。

このような条件下では、媒体の熱伝達能力が最も重要である。

他の状況では、熱伝達のプロセスは同時ではなく逐次的に生じる。このような場 合、加熱（冷却）媒体はエネルギー源から熱（冷気）をもらい、その熱（冷気） を後で使用するために貯蔵し、それを元のエネルギー源とは別の場所にある負荷 体に伝える。逐次加熱の例としては、ベビーフード用保温容器や湯たんぽの中の 予め熱した湯がある。フリーザーバックは冷気貯蔵の例である。逐次加熱／冷却 では、媒体の熱貯蔵力が重要な特性であることは明らかである。状態が変化しな い物質の熱貯蔵能力の尺度として、単位重量あたりの比熱や、密度と組み合わせ た単位体積あたりの比熱がある。状態の変化については後述する。

もうひとつ特筆すべき特性は流動性、つまり媒体が滑らかに動いて負荷体を取り 囲むことにより熱を複数の表面に伝える能力である。流動性は同時・逐次いずれ の熱伝達システムでも重要な役割を果たし得るし、実際に果たすことが多いが、 これについては以下の説明でより明らかにしていく。

以上を背景に、中間伝熱媒体として機能する様々な物質の能力を、それぞれの物 理的状態において評価することができる。

笈−卦 空気と燃焼ガスは容易に得られ、これらがもつ流動性は明らかに有利である。加 熱に適しているが、負荷体への熱伝達率が対流によって高められない限り、比較 的動きが緩慢でエネルギーを浪費する。気体は低比熱、低密度であるため、熱貯 蔵媒体には向かないが、大量の気体を有効に用いることができる場合は別である 。このことは冷却についても言える。

附−跡 金属は伝導率が高いため、効果的な伝熱媒体である。

しかしながら、比熱が低く（約０．１　ｃａｌ／ｇ”　Ｃ）高密度のため、熱貯 蔵媒体としては比較的不適であるが、相当な質量を利用できる場合は別である。

無機質で鉱物性の固体は熱伝導体としては劣っており、熱伝達には概して適さな い。比熱が中程度（０，２−０，３ｃａｌ／ｇ’　Ｃ）なので熱や冷気の貯蔵に も適さない。さらに、流動性に欠けるので熱伝達は一方向であり、直接接触によ る場合が最も効果液体はその物性により、はとんどの加熱・冷却に非常に適して いる。流動性があり伝導・対流による伝熱性を有している。さらに、中密度（０ ，８−１，２ｇ／ｃｃ）高比熱（０，５−１，０ｃａｌ／ｇ’　Ｃ）なので、逐 次プロセスにおける熱貯蔵には理想的である。水などの一般的な液体は他の状態 でも存在し得るので、有効な作用温度の幅は広い。蒸気としての水は流動性が非 常に高く、加熱に最適である。

また、流動性を犠牲にすれば、冷却用の氷としても存在する。水の状態が変化す ることにより、液体での顕熱によって利用できる力に加え、（加熱用に）蒸気を 凝縮したり（冷却用に）氷を溶かす潜熱によって、熱を貯蔵し伝える能力が高く なる。

逐次加熱のシナリオ、すなわち貯蔵された熱を熱源から負荷体に伝えるプロセス について言えば、明らかに液体が最も好ましい媒体であろう。気体はその物性か ら、すでに列挙した理由により実用面での考慮に値しない。

固体は流動性がなく熱貯蔵力が限られていることから、やはり考慮には値しない 。非金属性固体も、熱または冷気を伝えるのが遅いのと同様に、逐次利用のため に予め加熱したり冷却するのに時間がかかりかつ難しい。しかしながら、物質や 技術の新たな開発によって新たな可能性が生まれており、固体の役割をさらに考 慮する価値はあるように見える。

液体はすべての加熱／冷却用途に万能ではない。液体は普通、水も含めて揮発性 であり、蒸発によって失われるため、頻繁に取り替える必要があり、従って不変 の再使用可能な媒体ではない。揮発性液体の場合、気密容器内で圧力が高くなる 危険がある。非揮発性液体の方がより安全であるが、揮発性であろうとなかろう と、液体は容器にきちんと入れて、液体を入れた物質が物理的または熱的に傷つ いた時に漏れたりしないようにしなければならない。さらに、液体は（１，０ｇ ／ｃｃまたはそれ以上で）用途によっては重すぎることもある。

負荷体が生命体であるヘルスケアの場合、各種の携帯用温湿布あるいは冷湿布が ある。液体またはゲルを中に入れた湿布を使用前に予め加熱または冷却するもの （米国特許第３，８８５，４０３号、第３．７８０．５３７号）や、米国特許第 ３．８７４．５０４号、第４，４８２，２２４号で引用されるように、溶解また は結晶化といった物理現象による熱効果を利用するものもある。マイクロ波技術 の出現により、新しい湿布の中には電子レンジの中で予熱できるとうたっている ものもある。これらは見たところゲル化したまたは比較的揮発性の高い水溶液を 含んでおり、反復使用や予熱のし過ぎで損傷して漏出したり、効果をなくす場合 がある。

従って慎重に取り扱わねばならず、修繕が必要になったりもする。加熱／冷却用 パッドは極端な表面温度になることが多いので、直接肌に当てると、火傷、凍傷 といった「やけど」になることがある。従って、使用前に特別の断熱材で覆わな ければならない。これらすべてを考慮すると、加熱／冷却用のパッドその他の器 具について、安全性が高く使用しやすい材料の選択の幅が広い方がよいのは明ら かである。

加熱または冷却用に粒状物質を用いるという考えを、本出願人の米国特許第４， ９３７，４１２号で提案した。該特許の発行以来、発想をさらに展開させて、宵 月でユニークな特性をもった物質の新規な組合せを発見した。よって、本発明の 目的は、熱または冷気の貯蔵φ伝達のための中間媒体として機能し得る粒状物質 の新規な組成であって、液体の長所をもつが、液体その他の従来物質の短所はも たない紹成を提供することにある。本発明のさらなる目的は、かかる物質の物性 に融通性をもたせ、広範な用途に適するよう機能させることにある。

発明の開示 本発明は、熱または冷気を貯蔵し、エネルギー源から負荷体に伝達するための中 間媒体として機能し得る物質の粒状組成物を明らかにする。多孔性または中空の 固体粒子にそれぞれ、好ましくは比較的不揮発性成分を含みマイクロ波に反応す る液体を含浸または充填させる。液体を含浸させた粒子はそれぞれ毛管現象また は物理的封入により液体を保持する。液体の不揮発性成分により、得られた組成 物は、マイクロ波エネルギーによる予熱後熱、またはフリーザーによる予冷後冷 気として貯蔵され、恒久かつ再使用可能な媒体担体になる。

発明の最良の実施態様 前述のように、鉱物系の固体は通常、熱の貯蔵・伝達のためのすぐれた媒体とは 考えられていない。概してこれらは比熱が低く中密度なので、熱または冷気の貯 蔵力が限定される。流動性がないため、熱または冷気を負荷体に伝える能力にも 限りがある。流動床は、粒状の固体に流動性が加わって流動化ガスと負荷体との 間の熱伝達のための媒体として機能する特殊な状態である。

粒状の固体は、凝集性の固体と同じ粒子密度をもつが、粒子間間隙により体積密 度は低い。同じ物質でも粒子が多孔性または中空になっていれば、体積密度はさ らに小さくなる。かかる固体の凝結体は、単位重量あたりの比熱がさらに低く、 熱を受け渡しする能力も減少する、すなわち断熱材になる。

上記のシナリオは伝熱媒体には最も適さないように見えるが、ユニークな特性を もった物質の新たな組合せを作り出す−Ｅでこれまでにない機会を与えてくれる 。多孔性または中空の固体に液体を含浸させた場合を考えてみよう。固体の粒子 密度、体積密度はともに増大する。充填された液体の方が固体よりも比熱が高い ため、単位重量あたり、単位体積あたりの比熱も高くなる。さらに、問題の液体 がマイクロ波に反応する液体で、比較的不揮発性成分を含んでいる場合を想定し よう。粒子は毛管現象または物理的封入により液体を保持している上、揮発性に 欠けるので、結果として生じる組成物は電子レンジによる予熱が可能で再使用が 可能な熱源となる。さらに、かかる不揮発性成分が親水性であるばかりか吸湿性 でもあると仮定しよう。さらに、一般的にかつ好ましくは大気湿度上平衡な濃度 の溶解水を含んでいるとしよう。水の存在によって、かかる物質の組合せの比熱 はさらに増大する。また、加熱したときには水分を供給し、使用しないときは大 気中から水分を補給する能力を与える。

本発明の粒状組成物は従って、充填された液体の担体として機能する固体成分か らなる。得られる組成物は、純固体と純液体の中間の物性をもっているが、前述 のような液体のもつ欠点はない。流動性が加わったので、粒状の固体は加熱／冷 却により適した媒体である。　粒状物質の固体成分としては、不活性で、熱的に 安定しており、好ましくは毒性のない物質を用いる。充填する液体に対して不活 性であること、そして安全性の面から熱的に安定し、有毒でないことが必要であ る。固体の他の特性は液体成分を保持するメカニズムに左右される。液体を吸収 するためには、固体は多孔性で吸収性が高く、毛管現象によって液体を取り込ん で保持できるものでなければならない。かかる物質の例として、活性アルミナ、 活性シリカ、モレキュラーシーブなどがある。液体を封入するためには、固体は カプセルまたは固体壁を作るのに適していて、物理的に内部に液体を保持できる ものでなければならない。天然、人工を問わず、該目的に適したかかる物質は数 多くあり、カプセル化の方法の熟練者には知られている。どのような性質の「壁 」用物質を選択するかは、充填される液体や使用条件によって決まる。

このようにして作られた粒状物質の寸法と形状は、熱伝達に必要な表面と接触点 が得られるようできるだけ小さい方がよいが、取り扱いの困難な粉末になるまで 小さくしてはならない。また、表面は滑らかにして摩擦を極力少なくシ、流動性 を高めなければならない。好ましい寸法は、１７３２インチから１／８インチま たはＵ、Ｓ、　５ｉｅｖｅ　５ｅｒｆ本発明で用いられるマイクロ波反応液体は 揮発性が低い、すなわち２５°Ｃでの蒸気圧が非常に低く、標準大気圧での沸点 が１５０＠Ｃ以上のものとする。また少なくとも使用最高温度までは安定してい なければならない。かかる要件を満たす物質としては、エチレングリコールとそ の重合体、プロピレングリコールとその重合体、グリセロールとその重合体など があるがこれに限定されない。マイクロ波に対する感受性もかかる化合物の化学 誘導体によって得られる。たとえば、酢酸や連鎖の長い脂肪酸のエステル、アル コールまたはポリエステルから誘導された側鎖などがある。

マイクロ波反応液体はその化学的性質により物性が非常に異なる。水酸基または エーテル基に富む液体は、マイクロ波に対する高い感受性、水との完全な混和性 、極度の吸湿性を示す。グリセロール、ポリエチレングリコールなどのこの種（ 親水性）の化合物は、水分を含む熱の伝達に明らかに適している。分子量が大き く、構造が複雑な他の化合物はマイクロ波感受性が小さく、水との混和性がほと んどなく、事実上撥水性である。モノグリセリド、アセチル化モノグリセリドな どのこの種（疎水性）の化合物は、乾燥熱の伝達に適している。比熱、比重、粘 度、化学的安定性といった特性も考慮する必要があり、場合によってはトレード オフの必要もある。その結実現場では、特定の用途に合わせてマイクロ波反応液 体を個別にまたは他の適合物質との混合液として選択する幅が広くなる。冷却の 場合は、担体固体に充填される液体はマイクロ波に反応する必要はない。予め冷 却することにより冷気源になるものであればよい。

本発明の好ましい物質は毒性がないもので、その多くは食品等級物質である。こ れらの物質は、たまたま誤って使用したり摂取した場合でも危険がない。一般原 則としては、担体である固体に対する液体の量を制限して、温度が変化しても物 質同士の熱膨張の差によって液体が固体から流出しないようにした方がよい。ま た、粒子の液体成分は室温、すなわち本発明の目的では２５°Ｃのとき必ずしも 液体である必要はない。室温で固体、半固体、または適冷液体であってもよいが 、液体サセプターどしての適切な処理や使用ができるように、少し温度を上げた だけで溶けるものでなければならない。状態の変化に固有の潜熱は用途によって は長所になり得る。

本発明の粒状物質の作用温度はＯ’Ｆ（−１８°Ｃ）の低温であり、冷却の場合 は一般的な家庭用フリーザーを使って粒状物質の凝結体を予め冷やすことができ る。加熱に用いる場合は、粒状物質の凝結体を当該成分の揮発性および／または 安定性の使用限度まで予め加熱する。生命体の加熱に用いる場合は、安全性の面 から、非生命体での許容範囲よりも低い温度にする必要がある。いずれの場合で も、緩やかに固めた粒状凝結体の中心の温度は、外側部分よりもかなり高（でも よい。中心から表面への温度勾配は、粒状固体床内での熱伝播のプロセスに固有 のものである。これは生命体を加熱する場合は有利である。床が冷えるにつれて 、床の内容物をかきまぜることによって外側部分の温度を」二げることができる 。作用温度の上限は、発生する熱と貯蔵された熱と負荷体に奪われた熱または周 囲に奪われた熱との間の動的平衡として決まる。同じことが冷却についても言え る。

先に述べたように、負荷体に伝えられる熱の種類は粒状物質に充填される液体に よって決まる。水分を含む熱は多孔性固体または透水性カプセルに充填された吸 湿性のある液体によって運ばれる。奪われた水分は固体を大気湿度に露出するこ とで後に回収できる。乾燥熱の伝達には、水分を含まない液体、すなわち疎水性 の液体、または親水性の液体を、不透水性カプセルまたは湿気のない環境で湿気 から遮断したものを充填した固体を用いる。

これらの例は、物質を様々に組合せることにより、また粒状媒体およびその環境 の物理的条件により、いかに同様の結果が得られるかを示す一例に過ぎない。

本発明の粒状組成物は、特にヘルスケアの分野への応用に適している。例えば布 製の袋に入れた粒状物質からなる加熱／冷却用パッドには、以下のような利点が あるａ、液体成分の選択により乾燥熱または水分を含む熱を伝えることができる す、水分を含む熱は大気から自動的に水分を回収できる、すなわち奪われた水分 を補給す　るために外部から水を再補給する必要がない Ｃ１液体、ゲル、ならびに非多孔性固体の多くと比べ、軽量である ｄ、従来法よりマイクロ波エネルギーによる予熱（再加熱）時間が速い ｅ、最小限の取り扱いと準備で繰り返し使用できるｆ、１つの製品で加熱・冷却 の二重の機能をもっｇ、漏れや滴下の危険がなく比熱が高いという液体の望まし い特性を享受できる り、なじみがよく、冷凍しても固い塊にならないｉ、固体床による熱伝達である ため、熱または冷気をより安全にゆっくりと伝達すること　ができる以上、主と して逐次加熱、すなわちマイクロ波で熱を生成し、貯蔵した熱をマイクロ波領域 外の負荷体に伝達する加熱について述べてきたが、流動性をもつ本発明の粒状固 体はマイクロ波内での熱源としても使用できる。

本来マイクロ波を透過する物体であれば、本発明の粒状固体の床に浸漬させた後 、双方をマイクロ波で加熱することにより、粒状固体によって前者を加熱するこ とができる。本発明のこれらの側面は、以下の実施例でより明らかになろう。

実」１１」 これは水分を含む加熱用パッドの例である。内寸法が約ＩＯインチ×４インチの ポリエステル製のフェルト袋を、２．５インチ×４インチの四角に縫い分けて４ つの部分とし、ここに１．５ポンドの粒状物質を充填した。該粒状物質は、直径 １７１６インチの活性アルミナの球にグリセロールと水の混合液を含浸させたも ので、全体の組成はアルミナ５９％、グリセロール２９％、水１２％であった。

７００ワツトの電子レンジで３分間加熱すると、表面温度１０５”　Ｆ以上のパ ッドから２５−３０分間にわたり水分を含む熱が放出されるのが認められた。

犬適Ｌ」 これは冷却パッドの例である。実施例１と同じ寸法の、同じ粒状組成物を充填し た別のパッドを、片面はポリエステルフェルト、片面はポリエステル薄布で縫っ て袋にした。フリーザーで６時間、θ″Ｃで貯蔵した後、パッドをポリエステル 薄布と一緒に直接発明者の身体にあてた。

熱電対で計測した皮膚温は５分間で８５’　Ｆから５６’　Ｆに下がった。さら に５分すると、５２°Ｆまで下がり、その後２０分間温度は変わらなかった。

犬五眉Ｊ この例では失われた水分の回収を示す。実施例１と同様の布で、同じ粒状組成物 １２オンスを充填した顔面湿布を作った。湿布を予め７００ワツトで１分間加熱 したのち、発明者が２０分間水分を含む熱によるフェイシャルトリートメントを 行った。一度使用しただけで重量がかなり減少したが、これは水分の損失による ものであった。使用済湿布を約６５％の相対湿度の屋外で保管した。失われた重 量の約７５％は２４時間以内に回復し、４８時間以内に９０％が回復した。

夫息刊」 これは乾燥熱による治療例である。直径１／ＩＧインチの活性アルミナ数ポンド を６５重量％のアセチル化モノグリセドで含浸させた。粒子全体としての組成は 、活性アルミナ６０％とアセチル化モノグリセド４０％である。粒子をガラスの ボウルに入れ、７００ワツトの電子レンジに４分間入れた。ボウルをレンジから 取り出し、粒子床に素手を突っ込み、粒子の中で手を動かしたりかきまぜたりし た。

乾燥して心地よい熱が少なくとも１５−２０分間筋肉や関節に作用した。綿手袋 を使えば床温度を高くして治療時間を長くすることが可能であった。

尖１貨Ｊ この例では加熱とマイクロ波照射を同時に行う。実施例４の粒子を床に浸漬させ たポリプロピレン製加工素材と共に電子レンジに戻した。この熱塑性物質自体は マイクロ波に反応しない。７００ワツトのレンジで４分間ずつ何回かに分けて加 熱すると、床は熱くなりすぎてされれなくなった。熱用手袋を使って調べたとこ ろ、加工素材は柔らかで曲げやすくなる、すなわち成形加工できるほど熱くなる ことがわかった。加工素材の形を整え、粒子床から取り出し、水で急冷して、成 形を完成した。

Ｋ１１Ｊ この例は、市販されている材料を使って液体をカプセルにしたものの利用に関す る。肝油を充填したソフトゲル５００個（直径３７８インチのゼラチンカプセル ）をポリエステル薄布で作った４つの仕切りのある袋に入れた。その袋を一晩フ リーザーで冷凍すると、カプセルの中の肝油が固化するのが観察された。フリー ザーから取り出し、袋を発明者の肌に直接あて、タオルを上から当てて断熱とし た。時々袋をひつくりかえしたり、中身を混ぜたりしたところ、袋は１５−２０ 分間、かなりの低温を維持した。

他の粒状組成物の経験から、小さなカプセルに他の物質を充填すれば冷気の供給 時間は長くなることが予測でき°る。

前記の説明は本発明分野の通常の知識をもつ技術者に実施方法を示すためのもの である。明らかな変形や変更をすべて詳細に述べる意図はなく、これらは熟練技 術者であれば説明を読むだけで明らかとなろう。しかしながら、かかる変形や変 更が以下のクレームによって規定される本発明の範囲に含まれることは意図して いる。

補正書の写しく翻訳文）提出書 （特許法第１８４条の７第１項）

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １．ａ）固体である担体材料と ｂ）該担体材料によって保持される物質で、所定の高い作用温度になると液体に なるものからなり、該物質は比較的不揮発性の成分を含むことを特徴とする粒状 加熱／冷却媒体 ２．該媒体が熱エネルギー源によって予め加熱されると熱貫流可能な熱を内蔵す ることを特徴とする特許請求の範囲１に記載の粒状加熱／冷却媒体 ３．該媒体が冷蔵されると熱貫流可能な冷気を内蔵することを特徴とする特許請 求の範囲１に記載の粒状加熱／冷却媒体 ４．該物質が好ましくはマイクロ波に対する反応性をもち、該成分が多価水酸基 化合物、多価水酸基化合物の重合体、ならびに各々の化学誘導体からなることを 特徴とする特許請求の範囲１に記載の粒状加熱／冷却媒体５．該媒体をマイクロ 波エネルギーで加熱すると熱貫流可能な熱を内蔵することを特徴とする特許請求 の範囲４に記載の粒状加熱／冷却媒体 ６．該媒体が、Ｕ．Ｓ．ＳｉｅｖｅＮｏ．４０からＮｏ．４、または直径約１／ ６４インチから３／１６インチの寸法の粒子からなることを特徴とする特許請求 の範囲１に記載の粒状加熱／冷却媒体 ７．該媒体が、好ましくはＵ．Ｓ．ＳｉｅｖｅＮｏ．２０からＮｏ．６、または 直径約１／３２インチから１／８インチの寸法の粒子からなることを特徴とする 特許請求の範囲６に記載の粒状加熱／冷却媒体 ８．該成分が標準大気圧のときに１５０℃またはそれ以上の沸点をもつことを特 徴とする特許請求の範囲１に記載の粒状加熱／冷却媒体 ９．該成分が所定の高い作用温度と室温では液体であることを特徴とする特許請 求の範囲１に記載の粒状加熱／冷却媒体 １０．該成分が所定の高い作用温度では液体であるが室温ではそうでないことを 特徴とする特許請求の範囲１に記載の粒状加熱／冷却媒体 １１．該成分が室温では固体、半固体または過冷液体であることを特徴とする特 許請求の範囲４に記載の粒状加熱／冷却媒体 １２．該担体材料が多孔性固体であり、該物質が液体のときには毛管現象により 該担体材料に保持されることを特徴とする特許請求の範囲１に記載の粒状加熱／ 冷却媒体１３．該担体材料が固体カプセル状であり、該物質が物理的封入により 該担体材料に保持されることを特徴とする特許請求の範囲１に記載の粒状加熱／ 冷却媒体１４．該担体材料が固体カプセルと多孔性固体の組合せでできており、 該物質が物理的封入と毛管現象により該担体材料に保持されることを特徴とする 特許請求の範囲１に記載の粒状加熱／冷却媒体 １５．該マイクロ波に対する反応性を持つ物質が複数の成分からなることを特徴 とする特許請求の範囲４に記載の粒状加熱／冷却媒体 １６．該比較的不揮発性成分が親水性であり、該物質が水分を含有することを特 徴とする特許請求の範囲１５に記載の粒状加熱／冷却媒体 １７．該親水性成分が吸湿性であり、該水分が該成分と結合して回収可能な水分 供給源になることを特徴とする特許請求の範囲１６に記載の粒状加熱／冷却媒体 １８．該水分がマイクロ波加熱により放出され、冷却と同時に周囲の水分供給源 から補充されることを特徴とする特許請求の範囲１７に記載の粒状加熱／冷却媒 体１９．該周囲の水分供給源として湿った空気を含むことを特徴とする特許請求 の範囲４に記載の粒状加熱／冷却媒体